Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Δ Εξάμηνο

Transcript

1 AEN ΗΠΕΙΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΠΛΟΙΑΡΧΩΝ Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Δ Εξάμηνο ΘΕΩΡΙΑ 3 η Διάλεξη ΧΑΣΑΝΗΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ

2 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Υπολογιστικό σύστημα: Ένα δυναμικό σύστημα που: Χρησιμοποιείται για επίλυση προβλημάτων Αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του Δέχεται δεδομένα εισόδου Δημιουργεί δεδομένα εξόδου Αποτελείται από υλικό και λογισμικό 2

3 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ Υπολογιστικό σύστημα Ηλεκτρονικός Υπολογιστής: Ένα σύνολο συσκευών-εξαρτημάτων Προγράμματα που καθιστούν αξιόπιστες τις συσκευές Δύο συνιστώσες: Υλικό (Hardware) Λογισμικό (Software) 3

4 ΥΛΙΚΟ Το υλικό ενός Η/Υ αποτελείται από τρεις κατηγορίες: Κεντρική Μονάδα συστήματος Περιφερειακές μονάδες εισόδου Περιφερειακές μονάδες εξόδου 4

5 ΠΡΟΣΩΠΙΚΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗΣ 5

6 ΚΥΡΙΟΤΕΡΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ Να δέχεται δεδομένα μέσω Μονάδων Εισόδου Να επεξεργάζεται τα δεδομένα Να αποθηκεύει προσωρινά αποτελέσματα στην Κύρια Μνήμη Να αποθηκεύει τα τελικά αποτελέσματα στις Μονάδες Αποθήκευσης Να δίνει τα τελικά αποτελέσματα στις Μονάδες Εξόδου 6

7 ΥΛΙΚΟ 7

8 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Αλλιώς το Κουτί Περιλαμβάνει: Το ίδιο το κουτί (Case) Την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) Τη Μητρική Πλακέτα (Motherboard) Την Κύρια Μνήμη (Main Memory) 8

9 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Μονάδες Αποθήκευσης Κάρτα Γραφικών (Graphics Card) Κάρτα Δικτύου (Network Adapter) Κάρτα Ήχου (Sound Card) Τροφοδοτικό (Power Supply) Modem (Πιο παλιά) 9

10 ΤΟ ΚΟΥΤΙ (CASE) ΤΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Επιτραπέζιος HTPC Multimedia PC Mini Tower Midi Tower Full Tower 10

11 ΤΟ ΚΟΥΤΙ ΤΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Ποντίκι: Πράσινο (PS/2) Πληκτρολόγιο: Μωβ (PS/2) Έχουν αντικατασταθεί από USB θύρες 11

12 ΤΟ ΚΟΥΤΙ ΤΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Σειριακή θύρα: Περιφερειακές συσκευές όπως μόντεμ (9-pin) Παράλληλη θύρα: Εκτυπωτής (25-pin) Σύνδεση οθόνης: VGA( Female 15-pin) Θύρα δικτύου (Ethernet) [RJ45 socket] 12

13 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ (CPU) ΚΜΕ Central Processing Unit (CPU) Επεξεργαστής Αποτελεί τον εγκέφαλο του υπολογιστή Εκτέλεση λογικών και μαθηματικών πράξεων Έλεγχο λειτουργιών Συντονισμό λειτουργιών 13

14 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ (CPU) Αποτελείται από: Αριθμητική και Λογική Μονάδα (Arithmetic & Logical Unit ALU) Καταχωρητές (Registers) Μονάδα Ελέγχου (Control unit) Επικοινωνεί με τις άλλες μονάδες μέσω Καναλιών ή διαύλων επικοινωνίας (bus) 14

15 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΛΟΓΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ (ALU): Περιλαμβάνει ηλεκτρονικά κυκλώματα Εκτέλεση αριθμητικών πράξεων Πρόσθεση Αφαίρεση Εκτέλεση λογικών πράξεων Άρνηση Σύζευξη/ Διάζευξη Συγκρίσεις 15

16 ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ (CONTROL UNIT) Ελέγχει τη ροή δεδομένων από και προς την ΚΜΕ, τους καταχωρητές, τη μνήμη και τις περιφερειακές μονάδες Εισόδου/Εξόδου (Input/Output I/O) Χρησιμοποιεί ηλεκτρικά σήματα Χρησιμοποιεί τους εξής καταχωρητές: Καταχωρητής εντολών Αποκωδικοποιητής Απαριθμητής προγράμματος 16

17 ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΕΣ (REGISTERS) Γρήγορες αυτόνομες θέσεις αποθήκευσης για προσωρινή αποθήκευση δεδομένων 17

18 ΚΑΤΑΧΩΡΗΤΗΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ (STATUS REGISTER) Περιέχει τιμές που δηλώνουν τις ιδιαίτερες καταστάσεις από την εκτέλεση πράξεων Παραδείγματα: Δηλώνει αν παράγεται κρατούμενο από την πρόσθεση δύο αριθμών Αν το αποτέλεσμα μίας πράξης είναι μηδέν Πρόσημο αριθμού 18

19 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ Αρχιτεκτονική: Πλήθος δυαδικών ψηφίων (bits) που μπορεί να επεξεργάζεται ταυτόχρονα (4, 8, 12, 16, 32 και 64 bits). Ταχύτητα: Ο χρόνος που απαιτείται για να εκτελεστεί μια μικρο-ενέργεια λέγεται χρόνος κύκλου επεξεργαστή. 19

20 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ Το αντίστροφο του χρόνου κύκλου εκτέλεσης καλείται συχνότητα ή ρυθμός του ρολογιού του επεξεργαστή και μετριέται σε Megahertz (MHz) ή Gigahertz (GHz). Το μέτρο της επεξεργαστικής ισχύος της CPU δίνεται σε: MIPS (Millions Instructions Per Second) ή MFLOPS (Millions Floating Point Operations Per Second) 20

21 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ - ΙΣΤΟΡΙΑ 1969: Intel 4004, 4bit, 740KHz, Ο πρώτος επεξεργαστής (φορητή αριθμομηχανή) 1979: Intel 8088, ο πρώτος 16bit επεξεργαστής με περίπου τρανζίστορς και με αρχικό χρονισμό στα 4.77MHz. 1985: Intel Ήταν το πρώτο 32bit chip της Intel κατασκευασμένο από τρανζίστορς. Ο χρονισμός του έφτασε μέχρι τα 40MHz. 21

22 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ - ΙΣΤΟΡΙΑ 1985: Intel Ενσωματωμένος μαθηματικός συνεπεξεργαστής Λανθάνουσα μνήμη (Cache) Τρανζίστορ Έως 50 MHz 22

23 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ - ΙΣΤΟΡΙΑ Αρχιτεκτονική P5 1993: Intel Pentium (Επεξεργασία φωτογραφίας και ήχου) 1996: Intel Pentium MMX: Ταχύτερος, μεγαλύτερη μνήμη cache (Επεξεργασία εικόνας και βίντεο) 23

24 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ - ΙΣΤΟΡΙΑ Αρχιτεκτονική P6 1997: Intel Pentium II Transistors Βάσεις δομένων, Υπηρεσίες διαδικτύου, Σχεδίαση 1999: Intel Pentium III Ταχύτητα στην κλίμακα των GHz Τρισδιάστατα γραφικά, streaming audio, 2000: Intel Pentium IV 32bit 2004: Intel Pentium IV 64bit Επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο 2005: Intel Pentium IV D Δύο πυρήνες σε διαφορετικά κυκλώματα 24

25 ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ - ΙΣΤΟΡΙΑ Πολυπύρηνους επεξεργαστής 2006: Intel Core 2 (Duo, Quad) 2010: Intel Core i3, i5, i7 AMD Επεξεργαστές Πιο φθηνοί και σε ορισμένες περιπτώσεις καλύτεροι 25

26 ΚΥΡΙΑ ΜΝΗΜΗ (MAIN MEMORY) Κύρια ή Κεντρική μνήμη είναι η μονάδα όπου αποθηκεύονται τα δεδομένα, τα προγράμματα και τα αποτελέσματα που παράγονται από την εκτέλεση των προγραμμάτων. Συλλογή από θέσεις αποθήκευσης (λέξεις), κάθε μια από τις οποίες διαθέτει ένα μοναδικό αναγνωριστικό που καλείται διεύθυνση μνήμης (address). 26

27 ΚΥΡΙΑ ΜΝΗΜΗ (MAIN MEMORY) Βασικά Χαρακτηριστικά: Πλήθος χαρακτήρων (bytes) που μπορεί να αποθηκεύσει Η ταχύτητα ανάγνωσης των δεδομένων Η ταχύτητα εγγραφής των δεδομένων Αξιοπιστία 27

28 ΚΥΡΙΑ ΜΝΗΜΗ - ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Ένα bit (Binary digit) είναι η στοιχειώδης μονάδα που κρατάει πληροφορία Στα ημιαγωγικά μέσα, αυτό αντιπροσωπεύεται από την ύπαρξη ή όχι ηλεκτρικού ρεύματος Στα μαγνητικά μέσα από τη μαγνήτιση ενός στοιχειώδους σημείου Στα οπτικά μέσα από μικρά βαθουλώματα Το Byte είναι η βασική μονάδα που δίνει τη δυνατότητα μέτρησης στη μνήμη ενός χαρακτήρα. Αποτελείται από 8 bits 28

29 ΜΝΗΜΗ Η/Υ- ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ Κύρια ή Κεντρική Μνήμη Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης (RAM) Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης (ROM) Λανθάνουσα Μνήμη (Cache Memory) Δευτερεύουσα ή Περιφερειακή Μνήμη Μαγνητικοί Δίσκοι Μαγνητικές Ταινίες Οπτικοί Δίσκοι 29

30 ΜΝΗΜΗ RΑM RAM (Random Access Memory): Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης Υπάρχει δυνατότητα μεταβολής του περιεχομένου της. Μόνο για προσωρινή αποθήκευση δεδομένων. Χρειάζεται συνεχή τροφοδοσία. Όταν διακοπεί η λειτουργία του υπολογιστή τα περιεχόμενα της χάνονται. Μπορούμε να προσπελάσουμε τα δεδομένα της με τυχαία και όχι ακολουθιακή σειρά. 30

31 ΜΝΗΜΗ RΑM Περιέχει: Πυκνωτές: περιέχει το bit πληροφορίας Τρανζίτορ: λειτουργεί ως διακόπτης για τον πυκνωτή Τύποι SDRAM, SO DIMM DDR, DDR2, DDR3, DDR4 31

32 ΜΝΗΜΗ RΑM Διακρίνεται σε: Dynamic RAM - DRAM Static RAM - SRAM DRAM SRAM 32

33 ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ Υλοποίηση μνημών πάνω σε μικρές πλακέτες, που λέγονται DIMMs (Dual In-Line Memory Module) DIMMs: Στις πλακέτες αυτές υπάρχουν επαφές και στις δύο πλευρές SIMM (Single In Line Memory Module): Παλιότερες υλοποιήσεις Φτάνουν σε χωρητικότητες έως και τα 16GB (2016) Παλαιότερα, περιελάμβαναν 168 επαφές με μία εγκοπή σε κάθε πλευρά και δύο εγκοπές στην πλευρά επαφής (SDRAM DIMMS). Τα DDR DIMMs έχουν 184 επαφές. Τα DDR2 και DDR3 DIMMs έχουν 240 επαφές 33

34 ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ 34

35 ΚΥΡΙΑ ΜΝΗΜΗ RΟM ROM (Read Only Memory): Μνήμη Μόνο Ανάγνωσης Μόνο ανάγνωση δεδομένων (όχι εγγραφή ή διαγραφή) Δεν χάνεται το περιεχόμενο με διακοπή της τροφοδοσίας Περιέχει τις εντολές και τα δεδομένα που είναι απαραίτητα για την έναρξη του Η/Υ και τον έλεγχο των άλλων μονάδων (Basic Input and Output System - BIOS) Υλοποιείται σε ατομικά ολοκληρωμένα κυκλώματα (chips) 35

36 ΚΥΡΙΑ ΜΝΗΜΗ RΟM ROM BIOS(Read Only Memory Basic Input Output System): Ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip) πάνω στη μητρική και περιέχει γραμμένο ειδικό λογισμικό Διαγνωστικό έλεγχος Φόρτωμα λειτουργικού συστήματος στην κεντρική μνήμη Επικοινωνία με περιφερειακές συσκευές (πληκτρολόγιο, δίσκος, οθόνη) 36

37 ΕΙΔΙΚΕΣ ΧΡΗΣΗΣ ΚΥΡΙΑΣ ΜΝΗΜΗΣ Οι εικόνες της οθόνης αποθηκεύονται στη μνήμη γραφικών (VRAM) πάνω στην κάρτα γραφικών. Το μέγεθος της μνήμης καθορίζει: Ποιότητα εικόνας Μέγιστη ανάλυση Πλήθος χρωμάτων Μνήμη CMOS: Μνήμη χαμηλής κατανάλωσης, λειτουργεί με μικρή μπαταρία Αποθήκευση ρυθμίσεων, ώρας, γεωμετρία δίσκων 37

38 ΚΡΥΦΗ ΜΝΗΜΗ Cache (ή Λανθάνουσα Μνήμη): Μνήμη SRAM που περιέχει αντίγραφα τμημάτων της κύριας μνήμης (RAM) για γρήγορη προσπέλαση από την ΚΜΕ Η κρυφή μνήμη μεσολαβεί μεταξύ ΚΜΕ και κύριας μνήμης. Είναι ταχύτερη της κύριας μνήμης, αλλά βραδύτερη των καταχωρητών. Η κύρια μνήμη προσπελάζεται μόνο όποτε η ζητούμενη θέση δεν βρίσκεται ήδη στην κρυφή. Υψηλό κόστος κατασκευής. 38

39 ΕΠΙΠΕΔΑ ΚΡΥΦΗΣ ΜΝΗΜΗΣ Level 1 (L1 cache): Εμπεριέχεται στον επεξεργαστή (on-chip) και λειτουργεί στην ίδια ταχύτητα με αυτόν Level 2 (L2 cache): Έχει συνήθως περισσότερο χώρο αποθήκευσης και σχετικά μεγαλύτερο χρόνο προσπέλασης. Level 3 (L3 cache): Εκτός επεξεργαστή (off-chip) Χωρητικότητα: L1<L2<L3 Ταχύτητα: L1>L2>L3 39

40 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΚΡΥΦΗΣ ΜΝΗΜΗΣ 40

41 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Τι είναι το υπολογιστικό σύστημα. Δώστε ένα παράδειγμα. (Διαφάνειες 2 & 3) 2. Ποιες είναι οι κυριότερες λειτουργίες ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή; (Διαφάνεια 6) 3. Τι είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας (επεξεργαστής) και από τι αποτελείται. (Διαφάνεια 13 & 14) 4. Τι είναι η κύρια μνήμη και ποια τα χαρακτηριστικά της (Διαφάνεια 26 & 27) 5. Τι γνωρίζετε για τη μνήμη RAM (Διαφάνειες 30, 31, 32) 6. Τι γνωρίζετε για τη μνήμη ROM (Διαφάνειες 35 & 36) 7. Τι γνωρίζετε για την κρυφή μνήμη (Διαφάνειες 38 & 39) 41